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An�lisis de un modelo de molde para la fabricaci�n para pistones de motor de cilindrada 100cc

 

Analysis of a mold model for the manufacture of 100cc engine pistons

 

An�lise de modelo de molde para fabrico de pist�es de motor 100cc

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: rodrigo.moreno@espoch.edu.ec

 

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culo de Investigaci�n

 

 

* Recibido: 10 de junio de 2024 *Aceptado: 25 de julio de 2024 * Publicado: �08 de agosto de 2024

 

        I.            Facultad de Mec�nica, Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo (ESPOCH), Ecuador.

      II.            Facultad de Mec�nica, Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo (ESPOCH), Ecuador.

   III.            Facultad de Mec�nica, Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo (ESPOCH), Ecuador.

   IV.            Facultad de Mec�nica, Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo (ESPOCH), Ecuador.

 

Resumen

La presente investigaci�n, estableci� las directrices descriptivas sobre el desarrollo de un pist�n de 100 cc. de motocicletas, el dise�o para la fabricaci�n en serie, la cual tuvo lugar en las instalaciones de la facultad de Mec�nica de Escuela superior Polit�cnica de Chimborazo, en la Facultad de Mec�nica de la Carrera de Ingenier�a Automotriz. El desempe�o de la investigaci�n se efectu� en el planteamiento de los objetivos espec�ficos, resaltando las etapas de: aplicaci�n de ingenier�a inversa mediante el uso de los ensayos de micrograf�a, espectrofotometr�a y dureza de Brinnel; moldeo del pist�n de dos tiempos mediante Solidworks y Siemens NX 12 y finalmente, la construcci�n del molde para fabricar los diferentes elementos.� El enfoque de la investigaci�n adopt� un modelo cualcuantitativo, nivel aplicativo o de acci�n, dise�o experimental, tipo de estudio descriptivo, m�todos deductivo, inductivo y experimental. La poblaci�n y muestra, estuvo comprendida por el elemento �nico representativo, que comprendi� el pist�n de 100 cc. En el mismo apartado metodol�gico, fueron expuestos los dise�os, c�lculos, dimensionamientos, medidas y aplicaci�n de ensayos, la construcci�n del molde para fabricaci�n del pist�n y la aplicaci�n de la colada de aluminio, esta�o y cobre. Fue expuesto la etapas de desarrollo de la fabricaci�n del pist�n, a trav�s del uso de m�quinas para mecanizaci�n y precisi�n tales como fresadora, taladro de pedestal, prensa hidr�ulica y torno, para el desbaste de los diferentes cuerpos met�licos

Palabras clave: Mec�nica; materiales; metalograf�a; ingenier�a; fundici�n.

 

Abstract

This research established the descriptive guidelines on the development of a 100 cc motorcycle piston, the design for mass production, which took place at the facilities of the Faculty of Mechanics of the Polytechnic School of Chimborazo, in the Faculty of Mechanics of the Automotive Engineering Degree. The research was carried out in the statement of specific objectives, highlighting the stages of: application of reverse engineering through the use of micrography, spectrophotometry and Brinnel hardness tests; molding of the two-stroke piston using Solidworks and Siemens NX 12 and finally, the construction of the mold to manufacture the different elements. The research approach adopted a qualitative-quantitative model, application or action level, experimental design, descriptive type of study, deductive, inductive and experimental methods. The population and sample consisted of the single representative element, which included the 100 cc piston. In the same methodological section, the designs, calculations, sizing, measurements and application of tests, the construction of the mold for manufacturing the piston and the application of the aluminum, tin and copper casting were presented. The stages of development of the manufacturing of the piston were presented, through the use of machines for machining and precision such as milling machine, pedestal drill, hydraulic press and lathe, for roughing the different metallic bodies

Keywords: Mechanics; materials; metallography; engineering; casting.

 

Resumo

A presente investiga��o estabeleceu as linhas de orienta��o descritivas sobre o desenvolvimento de um pist�o de 100 cc. de motociclos, o projecto para o fabrico em s�rie, que decorreu nas instala��es da Faculdade de Mec�nica da Escola Polit�cnica de Chimborazo, na Faculdade de Mec�nica da Carreira de Engenharia Autom�vel. A realiza��o da investiga��o foi realizada na abordagem de objetivos espec�ficos, destacando-se as etapas de: aplica��o da engenharia inversa atrav�s da utiliza��o de micrografia, espectrofotometria e ensaios de dureza Brinnel; moldagem do pist�o a dois tempos utilizando o Solidworks e o Siemens NX 12 e por �ltimo, a constru��o do molde para o fabrico dos diferentes elementos. A abordagem da investiga��o adotou um modelo qualitativo-quantitativo, n�vel de aplica��o ou a��o, desenho experimental, tipo de estudo descritivo, m�todos dedutivos, indutivos e experimentais. A popula��o e a amostra foram constitu�das por um �nico elemento representativo, que inclu�a o pist�o de 100 cc. Na mesma sec��o metodol�gica foram apresentados os projetos, c�lculos, dimensionamento, medi��es e aplica��o de ensaios, a constru��o do molde para o fabrico do pist�o e a aplica��o de fundi��o de alum�nio, estanho e cobre. Foram expostas as etapas de desenvolvimento do fabrico de pist�es, atrav�s da utiliza��o de m�quinas de maquina��o e precis�o como fresadora, berbequim de pedestal, prensa hidr�ulica e torno, para desbaste dos diferentes corpos met�licos.

Palavras-chave: Mec�nica; materiais; metalografia; Engenharia; fundi��o.

 

Introducci�n

Ecuador es uno de principales pa�ses en realizar importaciones de pistones de dos tiempos para motores de motocicleta, por lo tanto, se registra una gran demanda de repuestos para motores de dos tiempos, en los cuales se busca el mejor repuesto con una vida �til de mayor tiempo. Entre los Pa�ses con mayor stock de recambio a nivel de Latinoam�rica encontramos Alemania, Argentina, Espa�a, Turqu�a, Gran Breta�a, Estados Unidos, Brasil, Jap�n, China e India. (P�rez, y otros, 2021).

La definici�n de fundici�n, destacada por Jim�nez (2014), es el proceso de la obtenci�n de una pieza a partir de la fusi�n del metal (posteriormente se colocar� en un molde previamente preparado), donde se endurece y toma la representaci�n deseada. La fundici�n se compone de hierro, carbono, silicio y elementos como magnesio, f�sforo, azufre, etc. Las piezas fundidas no est�n sujetas al proceso de deformaci�n pl�stica, porque no son flexibles.

Teniendo en cuenta las pautas de metodolog�a de la investigaci�n respecto a Arias y Covinos (2021), la cual consiste en un proceso sistem�tico a los m�todos cuantitativos, cuantitativos o mixto, se de acuerdo con la naturaleza del estudio, es decir, adoptando la perspectiva de la recolecci�n e interpretaciones de cifras o la perspectiva te�rica. La presente investigaci�n estipul� un enfoque cualicuantitativo o mixto, debido a la integraci�n de ambas perspectivas, tanto de car�cter cualitativo, respecto a la ilustraci�n terminol�gica de aplicaci�n en la selecci�n del tipo de acero, tipos de ensayo, uso de t�rminos y desarrollo aplicativo de estrategias de dise�o para mecanizaci�n, entre otros. Mientras, por otro lado, resulta de tipo cuantitativo, debido a la parametrizaci�n espec�fica para el dise�o resultante del molde del pist�n de 100 cc., asociados a esquemas l�gicos.

Considerando los lineamientos de investigaci�n por parte de D�az (2019), la investigaci�n en el presente documento comprender� un nivel resultante de tipo aplicativo o de acci�n, debido a la calidad de desarrollo de t�cnicas profundas respecto a las disciplinas de metalurgia, mecanizado y dise�o, para resolver el enigma de estudio, el cual, comprende dise�o y construcci�n de un molde para la fabricaci�n en serie para pistones de motor de motocicleta de cilindrada 100 cc, a trav�s de la integraci�n innovadora mediante el uso de tecnolog�as de software en 3D, a fin de generar un dise�o funcional del elemento mec�nico resultante. En el estudio, el criterio proporcionado por D�az (2019), permiti� corresponder el an�lisis de acuerdo a uno de tipo descriptivo, siendo que la informaci�n fue desarrollada con el fin de describir los procedimientos para el desarrollo mec�nico de un molde de pist�n de 100 cc, considerando los subprocesos desde la fase de dise�o, hasta la creaci�n mediante m�quinas CNC y ensayos pertinentes para la verificaci�n del pist�n.

De acuerdo a las referencias destacadas en la poblaci�n, la muestra es igual a la misma poblaci�n de estudio, considerando el alcance de un �nico elemento de dise�o, sobre el cual se aplicaron los esfuerzos de la investigaci�n, hasta alcanzar el dise�o funcional del molde de pist�n de 100 cc, a raz�n del car�cter de muestreo de tipo no probabil�stico y de conveniencia adoptado para las circunstancias del estudio.

Respecto de la selecci�n del tipo de aleaci�n, se utiliza de la aleaci�n DIN 7020, se utiliza el ensayo de espectrofotometr�a por emisi�n �ptica de chispa utilizando los lineamientos de la norma ASTM E415.

El ensayo de espectrometr�a se realiz� en las instalaciones del laboratorio de materiales de la facultad de Mec�nica de Escuela superior Polit�cnica de Chimborazo, en la Facultad de Mec�nica de la Carrera de Ingenier�a Automotriz en la m�quina de marca BRUKER.

 

Figura 1. An�lisis de espectrometr�a

 

Para el dise�o del molde se tiene un material AISI A36 de tres partes las cuales son el coraz�n, placas laterales, tapa y bebedero.

Figura 2. Componentes del sistema de molde met�lico

 

En el an�lisis del �ngulo de salida para que el material logr� salir se lo realiza con un �ngulo de 1� como se muestra a continuaci�n

 

Figura 3. Componentes del sistema de molde met�lico

 

Para la fabricaci�n de los elementos que componen se utilizar� procesos de manufactura convencionales y automatizados CNC para una m�quina de control SINUMERIK 808D, como se muestra en la siguiente gr�fica en la cual se puede observar que el sobre material se ajusta al elemento del molde.

Figura 4. Mecanizado de componentes en software CAM

 

En este apartado se analiza los resultados obtenidos y par�metros obtenidos de la fundici�n de pist�n de 100 cc como se detalla a continuaci�n.

 

Tabla 1. Par�metros de fundici�n

 

Resultados

Los par�metros necesarios de la aleaci�n de aluminio para el pist�n se aprecian del ensayo de micrograf�a sobre la probeta de la fundici�n resultante del pist�n de 100 cc, arroj� las siguientes apreciaciones del tama�o de la granulometr�a seg�n las vistas a 5x, 10x, 20x y 50x, a continuaci�n, en Figura 5.:

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Figura 5. Vistas del ensayo de micrograf�a.

 

En las apreciaciones del ensayo de micrograf�a evidenciado se observaron formas uniformes de los granos, acompa�ados de uniones estrechas sin picaduras u orificios por acumulaci�n de burbujas de vac�o, con suficiente brillo; tomando en cuenta la siguiente comparaci�n con la determinaci�n sobre la muestra se aluminio y silicio de DIN 7020.

 

Conclusiones

El an�lisis de un modelo gen�rico de pist�n dos tiempos, estableciendo la estructura de dise�o, los diferentes ensayos aplicados, permitieron la detecci�n y apreciaci�n espec�fica de diversas propiedades mec�nicas y qu�micas. El detalle del mismo, deriv� del an�lisis sobre un equipo Bruker, estableciendo principalmente, aluminio en una proporci�n de 74,69; silicio con 20,16, esta�o con 0,097, hierro con 1,615, entre otros elementos varios en m�nimas proporciones, necesarios para distinguir las porciones a fundir. Al llegar a la etapa de fundici�n, los elementos fundidos consistieron en esta�o de 1 m, cobre de 10 cm y aluminio de dos libras. La fundici�n se realiz� calentando la colada hasta llegar a los 800� C, empleando pinzas para el crisol, y haciendo uso de cuchara para verter la fundici�n a trav�s del bebedero en el molde enterrado en arcilla, dentro de una caja de moldeo el molde fue desmontado mediante la remoci�n del bebedero, y el pist�n resultante fue mecanizado para crear los canales o ranuras de los anillos del pist�n y el agujero del pasador.

 

Referencias

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